CN104535591A

CN104535591A - 一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法及装置

Info

Publication number: CN104535591A
Application number: CN201510023912.5A
Authority: CN
Inventors: 乔长录; 何新林; 杨广; 刘兵; 吕廷波; 刘洪光
Original assignee: Shihezi University
Current assignee: Shihezi University
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明涉及一种农田土壤墒情监测方法及装置。一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，步骤如下：1）在农田一侧田埂上部署一套信号发射端；2）在农田另一侧田埂上等间距部署多套信号接收端；3）信号接收端接收信号发射端发射的电磁波信号，并根据在待测农田土壤中实验预先确定的电磁波信号强度和通信距离与土壤墒情之间的回归方程计算得到待测农田的土壤平均墒情；所述农田土壤墒情实时监测方装置包括信号发射端、接收端以及部署在监测室的监测中心；信号发射端由无线电磁波信号发射探头、数据采集控制器组成；信号接收端由无线电磁波信号接收探头、数据采集控制器以及GPRS无线数据终端组成；所述监测中心由服务器、GPRS无线数据终端组成。

Description

一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种农田土壤墒情监测方法，尤其是涉及一种对整块农田土壤平均墒情进行实时监测的监测方法及其装置。

背景技术

目前，农业用水已占到全球淡水资源消耗量的92%。在我国，全国平均灌溉水利用率仅为45%，而55%的水以渠道渗漏、过量灌溉后大量渗漏渗透等方式被浪费。在45%被保存在农田土壤的水中，又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一体化不到位等原因，很多的水未能被作物有效利用。因此，实时获取农田土壤墒情，掌握土壤墒情随着时间的变化情况，为科学灌溉提供决策支持，进而按需、按时地进行有效的节水灌溉，对提高农作物的产量，节约水资源，缓解我国水资源危机具有十分重要的意义。

传统成熟的农田土壤墒情测量方法有烘干称重法、γ射线法、中子仪法、TDR（时域反射）法、FDR（频域反射）法等，这些传统方法的主要缺点在于：

这些传统方法获取的只是所取土样或者传感器探针周边很小范围的土壤墒情，无法实现整块农田土壤墒情的有效获取；

烘干称重法简单直观，但无法进行实时监测，而且土钻取样会干扰农田土壤水分的连续性，在农田会留下取样孔，会切断作物的某些根系；

中子仪法虽然可以在原地不同深度上反复测定土壤墒情，但是，中子仪法需要预先在农田埋设导管，而且仪器垂直分辨率较差、表层测量困难、辐射危害健康、价格贵；

γ射线法也有许多中子仪法所具有的优点，且比中子仪法的垂直分辨率高，但是γ射线也危害健康；

TDR法、FDR法准确性高、性能稳定，但是安装需要开挖剖面埋设，地面上还需要架设通讯、供电等设备，不仅会严重影响农耕作业，而且由于价格昂贵，也不适合大面积监测。

因此，如何设计出一种无需埋设在农田土壤中的、不影响农耕作业的、能够对整块农田土壤墒情进行实时监测的、低成本的、具有较高可靠性的农田土壤墒情实时监测方法及其装置，具有极高的理论和实际意义。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出了一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法和装置，能够对整块农田土壤墒情进行实时监测，只需安装于田埂上，不破坏农田土壤环境。技术先进，使用方便。

本发明所采用的技术方案：

一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，包括如下步骤：

1）在农田一侧田埂上部署一套信号发射端，其中无线电磁波信号发射探头埋设在农田田埂地下50cm深度处；

2）在农田另一侧田埂上等间距部署多套信号接收端，其中无线电磁波信号接收探头埋设在农田田埂地下50cm深度处；

3）信号发射端向农田土壤发射433MHz频率的电磁波信号；

信号接收端接收电磁波信号，并根据在待测农田土壤中实验预先确定的电磁波信号强度和通信距离与土壤墒情之间的回归方程，将接收到的电磁波信号强度以及敷设时确定的信号发射端到信号接收端之间的距离代入回归方程，计算得到信号发射端到信号接收端之间的农田土壤平均墒情；

信号接收端将计算得到的农田土壤平均墒情通过GPRS无线数据终端实时发送到监测中心；

4）监测中心通过GPRS无线数据终端实时接收农田土壤平均墒情数据，并将接收到的多个信号接收端发来的农田土壤平均墒情再做平均，得出整块农田土壤墒情。

一种实现所述农田土壤墒情实时监测方法的农田土壤墒情实时监测装置，其组成包括：

1）一套部署在农田一侧田埂的信号发射端；所述信号发射端由无线电磁波信号发射探头、数据采集控制器以及太阳能供电设备组成；

2）多套以5米等间距部署在农田另一侧田埂的信号接收端；所述信号接收端由无线电磁波信号接收探头、数据采集控制器、太阳能供电设备以及GPRS无线数据终端组成；

3）部署在监测室的监测中心；所述监测中心由服务器、GPRS无线数据终端、大屏幕和打印机组成；

信号发射端的无线电磁波信号发射探头向农田土壤发射433MHz频率的电磁波信号；所述信号接收端的无线电磁波信号接收探头接收所述无线电磁波信号，经数据采集控制器处理后通过GPRS无线数据终端传送到监测中心。

根据在待测农田土壤中实验预先确定的电磁波信号强度和通信距离与土壤墒情之间的回归方程写入信号接收端数据采集控制器的存储器，信号接收端测得电磁波信号强度后，通过所述回归方程计算得到信号发射端到信号接收端之间的农田土壤平均墒情。

本发明的有益效果：

1、本发明基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法和装置，利用在农田土壤中电磁波信号从发射端传输到接收端时接收端接收到的电磁波信号强度受沿途土壤墒情与传输距离的变化而变化的这一原理测定发射端到接收端的直线之间的平均土壤墒情。技术先进，设计科学合理，监测数据较为准确。

2、本发明基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法和装置，利用此方法能够监测整块农田的平均土壤墒情，方法容易实现，装置电路相对简单、价格低、安装调试方便、安装于田埂不影响农耕作业、能够进行实时监测，适合用在中国农田土壤墒情实时监测中使用。

附图说明

图1是本发明土壤墒情实时监测方法和装置的发射端设备安装示意图；

图2是本发明土壤墒情实时监测方法和装置的接收端设备安装示意图；

图3是本发明土壤墒情实时监测方法和装置整体安装部署示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，包括如下步骤：

3）信号发射端向农田土壤发射433MHz频率的电磁波信号；

本实施例的基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，其中无线电磁波信号发射探头埋设在农田田埂地下50cm深度处，农田另一侧田埂上以5米等间距部署多套信号接收端，其中无线电磁波信号接收探头埋设在农田田埂地下50cm深度处。

本发明农田土壤墒情实时监测方法的具体部署如3所示，选择在农田长度方向上一侧田埂中间位置安装信号发射端，对应另一侧田埂上以5米间距安装信号接收端；无线电磁波信号发射探头和无线电磁波信号接收探头可以安装在地面下30cm、50cm、80cm、100cm处，具体安装深度根据监测需要确定；信号接收端的安装间距也可以根据需要选择1米、2米、3米、4米，间距越小监测精度越高。

实施例3

参见图1、图2，本实施例公开了一种实现如前所述农田土壤墒情实时监测方法的农田土壤墒情实时监测装置，其组成包括：

2）多套等间距部署在农田另一侧田埂的信号接收端；所述信号接收端由无线电磁波信号接收探头、数据采集控制器、太阳能供电设备以及GPRS无线数据终端组成；

所述信号发射端的无线电磁波信号发射探头向农田土壤发射433MHz频率的电磁波信号；所述信号接收端的无线电磁波信号接收探头接收所述无线电磁波信号，经数据采集控制器处理后通过GPRS无线数据终端传送到监测中心。

信号发射端设备安装示意图如图1所示，包括无线电磁波信号发射探头1、数据采集控制器(无线电磁波发射及数据采集处理）、蓄电池、充电控制器、太阳能电板2、避雷器、架设立杆3；其中电磁波信号发射探头1有3个探针，安装时将探针水平插入位于农田一侧的开挖剖面，无线电磁波信号发射探头1的信号线与数据采集控制器通过RS232接口连接，电源线连接到蓄电池接线端子；数据采集控制器控制探头信号的发射；数据采集控制器、蓄电池和充电控制器安装在监测箱4内，监测箱4固定在架设立杆3的横杆上，太阳能电板2也固定在架设立杆监测箱4上部一定位置；避雷器包括避雷针5、导线、泄流地网，避雷针5安装于架设立杆3的顶部，泄流地网埋设于地下，用导线将避雷针和泄流地网连接起来；所有设备均由蓄电池供电，蓄电池由太阳能电板充电；架设立杆3与安装基座7通过法兰连接固定，安装基座7为混凝土基座，规格为：长×宽×高=500mm×500mm×1000mm。

信号接收端设备安装示意图如图2所示，包括无线电磁波信号接收探头6、数据采集控制器（无线电磁波接收及数据采集处理）、蓄电池、充电控制器、太阳能电板2、避雷器、GPRS无线数据终端、架设立杆3；其中电磁波信号接收探头6有3个探针，安装时将探针水平插入位于农田一侧的开挖剖面，无线电磁波信号接收探头6的信号线与数据采集控制器通过RS232接口连接，电源线连接到蓄电池接线端子；数据采集控制器控制探头信号的接收；数据采集控制器、蓄电池、充电控制器和GPRS无线数据终端安装在监测箱4内，监测箱4固定在架设立杆3的横杆上；GPRS无线数据终端与数据采集控制器通过RS232接口连接，电源线连接到蓄电池供电端子；太阳能电板也固定在架设立杆监测箱上部一定位置；避雷针5安装于架设立杆顶部，泄流地网埋设于地下，用导线将避雷针和泄流地网连接起来；所有设备均由蓄电池供电，蓄电池由太阳能电板2充电；架设立杆3与安装基座7由法兰连接固定，安装基座为混凝土基座，规格为：长×宽×高=500mm×500mm×1000mm。

本发明基于地下无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法及装置，监测中心部署在监测室内，包括一台服务器、一台GPRS无线数据终端、一台打印机和一套大屏幕，系统安装一套监测管理软件。所述监测管理软件由C++语言编写而成，后台数据库为MSSQLServer2008，功能包括：数据实时接收功能、参数设置功能、时钟校正功能、实时数据显示功能、历史数据查询功能、报表生产打印功能、报警功能、辅助灌溉决策支持功能等。

根据在待测农田土壤中实验预先确定的电磁波信号强度和通信距离与土壤墒情之间的回归方程，将其回归方程写入信号接收端数据采集控制器的存储器，接收端测得电磁波信号强度后，即可通过其回归方程计算得到信号发射端到信号接收端的直线之间的农田土壤平均墒情；监测中心通过监测管理软件、GPRS无线数据终端和服务器，实时接收农田土壤平均墒情数据，并将接收到的多个信号接收端发来的土壤平均墒情再做平均，此平均值即为整块农田土壤墒情。

Claims

1.一种基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，包括如下步骤：

1）在农田一侧田埂上部署一套信号发射端，其中无线电磁波信号发射探头埋设在农田田埂地下土壤中；

2）在农田另一侧田埂上等间距部署多套信号接收端，其中无线电磁波信号接收探头埋设在农田田埂地下土壤中；

3）信号发射端向农田土壤发射433MHz频率的电磁波信号；

2. 根据权利要求1所述的基于无线电磁波的农田土壤墒情实时监测方法，其特征是：其中无线电磁波信号发射探头埋设在农田田埂地下50cm深度处，农田另一侧田埂上以5米等间距部署多套信号接收端，其中无线电磁波信号接收探头埋设在农田田埂地下50cm 深度处。

3.一种实现权利要求1所述农田土壤墒情实时监测方法的农田土壤墒情实时监测装置，其组成包括：

4. 根据权利要求3所述的农田土壤墒情实时监测装置，其特征在于：所述信号发射端和信号接收端均通过架设立杆和安装基座固定于农田田埂上，架设立杆顶端设置避雷器，上部安装太阳能电池板，数据采集控制器、充电控制器以及蓄电池或GPRS无线数据终端安装于固定在架设立杆上部的监测箱内；无线电磁波信号发射探头以及无线电磁波信号接收探头埋设于田埂地下50cm深度处。

5.根据权利要求3或4所述的农田土壤墒情实时监测装置，其特征在于：无线电磁波信号发射探头的信号线与数据采集控制器通过RS232接口连接；无线电磁波信号接收探头的信号线与数据采集控制器通过RS232接口连接；GPRS无线数据终端与数据采集控制器通过RS232接口连接；根据在待测农田土壤中实验预先确定的电磁波信号强度和通信距离与土壤墒情之间的回归方程写入信号接收端数据采集控制器的存储器，信号接收端测得电磁波信号强度后，通过所述回归方程计算得到信号发射端到信号接收端之间的农田土壤平均墒情。